5. Inženýrskogeologická charakteristika a klasifikace hornin

Charakterizovat geologické prostředí s ohledem na jeho chování ve vztahu k inženýrskému záměru, znamená v prvé řadě určit soubor vlastností - popisných, fyzikálních, mechanických i technologických - jednotlivých typů hornin (tab. 5.1a, tab. 5.1b, tab. 5.1c a tab. 5.1d), které toto prostředí tvoří. Podle kvalitativních a kvantitativních charakteristik hornin (kritérií), určovaných většinou na odebraných vzorcích (kap 5.1) a účelu prováděného výzkumu a průzkumu se horniny začleňují do klasifikačních systémů. Jejich účelem je vyčlenit v horninovém prostředí celky a jednotky, které mají podobné charakteristiky, vlastnosti a chování.

Podle obsahu a účelu můžeme tyto klasifikace označit jako:

·         všeobecné - abstrahované od určité lokality, regiónu nebo technického záměru (např. zatřídění hornin podle ČSN 72 1001 Pojmenování a popis hornin v inženýrské geologii)

·         regionální - umožňující na základě vybraných kritérií vymezit v konkrétním regiónu kvazihomogenní celky s podobnými charakteristikami. Využívají se např. při sestavování víceúčelových map IG rajónování (viz kap. mapy).

·         speciální (typologické), založené na účelově vybraných charakteristikách a vlastnostech hornin a horninových masívů, které rozhodují o technice a technologii zemních a razicích prací, o výběru vhodných základových konstrukcí (piloty, plošné základy), o využití hornin jako stavebního materiálu a jsou podkladem pro geotechnické výpočty. Příkladem jsou klasifikace hornin uvedené v normě ČSN 73 10 01 Základová půda pod plošnými základy, ČSN 73 30 50 Zemní práce ad.

Základem inženýrskogeologických i geotechnických klasifikací je geneticko-litologická klasifikace (tab.5.2), která vychází ze stejnorodosti litologického charakteru, podobnosti vzniku hornin a jejich vývoje. Je vodítkem pro rozčleňování horninových jednotek podle potřebné podrobnosti informací v různých stadiích průzkumu.

5.1. Odběr vzorků

Odběr vzorků, jejich popis a manipulace s nimi je velmi zodpovědná činnost, která může mít zásadní vliv na další průzkumné práce, jejich vyhodnocení i na rozhodování o projektovaném záměru.

Základním požadavkem je reprezentativnost vzorku, tzn. že musí charakterizovat přilehlou část horninového prostředí. Nezbytnou nutností je přesná a jednoznačná lokalizace místa odběru.

Podle účelu, ke kterému je vzorek určen se rozlišují:

a.      Dokumentační vzorky odebírané při všech odkryvných nebo mapovacích pracích a slouží jako prvotní dokumentace pro sestavení geologického profilu a geologické mapy zkoumaného území. Protože musí být uchovávány přinejmenším po celou dobu průzkumu případně výstavby, musí být uloženy tak, aby nedošlo k jejich promíchání nebo jinému znehodnocení. Mohou se dávat do vhodných obalů a vzorkovnic opatřených etiketou s názvem průzkumné akce, lokality, názvem průzkumného díla, ze kterého byl vzorek odebrán (vrt, štola, odkryv), hloubkou nebo metráží místa odběru, jménem pracovníka a datem odběru. Musí být k dispozici i jejich písemná, grafická příp. fotografická dokumentace, která je pak součástí zprávy o provedeném průzkumu.

b.      Zvláštní vzorky se odebírají pro laboratorní stanovení vlastností hornin a vody, příp. plynu. Způsob odběru vzorku, jeho hmotnost a rozměr závisí na typu horniny, na typu a počtu požadovaných zkoušek (tab. 5.1.1), nárocích na opracování vzorku i na přístrojovém vybavení laboratoře. Každý vzorek musí být opatřen etiketou, kde mimo výše uvedených informací, musí být uveden způsob odběru a prostorová orientace vzorku v masívu. Protokol o předání do laboratoře musí obsahovat datum (event. hodinu) předání, požadavky na zkoušky a podpis pracovníka, který vzorky přijal. Při přepravě a skladování musí být vzorky chráněny před vysycháním, namrzáním i před otřesy.

Podle požadavků na laboratorní zkoušky se zvláštní vzorky odebírají jako:

1.      Vzorky neporušené, které musí mít zachovanou přirozenou strukturu, vlhkost, ulehlost, konzistenci ad. Písčité a jemnozrnné zeminy lze odebírat odběrnými válci a jádrováky vybavenými pouzdry, ve kterých se vzorek přepravuje do laboratoře (obr. 5.1.1, 5.1.2, 5.1.3, 5.1.4). Průměr vzorku se pohybuje od 50 do 150 mm, délka od 100 do1300 mm i více. Pevné horniny na přístupných místech se odebírají ve formě vykopaných nebo vyřezaných kusových vzorků (monolitů), o minimálním objemu 800 – 1000 cm3 nebo ve formě vrtných jader a úlomků. Přepravují se v hermeticky uzavřených pevných obalech. Při popisu vrtného profilu i výběru vrtných vzorků pro laboratorní zpracování je třeba mít na zřeteli řadu faktorů, které mohou mít vliv na kvalitu jádra (tab. 5.1.1a).

2.      Vzorky porušené, pro stanovení vlastností, které nevyžadují zachování přirozeného stavu horniny jako je např. granulometrie, měrná hmotnost a některé technologické zkoušky (viz tab. 5.1.1). Odebírají se do pevných sáčků nebo bedniček, které zabraňují rychlému vysychání. Požadovaná hmotnost se pohybuje mezi 1 - 2,5 kg. Pro štěrky a úlomky se doporučuje hmotnost v kg odpovídající dvojnásobku průměru maximálního zrna v cm.

3.      Vzorky porušené se zachováním přirozené vlhkosti se odebírají v množství cca 50 - 70 cm3 do hermeticky uzavíratelných vzorkovnic. U zemin by jejich zaplnění mělo přibližně odpovídat přirozené objemové hmotnosti.

4.      Vzorky vod se odebírají pro stanovení jejich fyzikálních, chemických a senzorických vlastností (ČSN EN 25 667-1 Jakost vod. Odběr vzorku). Odběr se provádí do speciálních vzorkovnic v množství, potřebném pro požadované rozbory (např. agresivity na základové konstrukce - viz kap. 8).

5.      Technologické vzorky - zvláštní vzorky se používají i pro stanovení technologických vlastností. Požadavky se řídí řadou ČSN 72 11 Zkušební metody hornin a zemin a řadou ČSN 72 15 Kamenivo.

5.2 Pojmenování a popis hornin v inženýrské geologii

Základní klasifikační systém, vyhovující technické praxi, je uveden v ČSN 72 10 01 a aplikován v dalších typologických klasifikacích.

Primárním kritériem této klasifikace je pevnost strukturních vazeb mezi jednotlivými zrny, podle kterých se horniny dělí na skalní horniny a zeminy, s přechodným typem poloskalních hornin. Jejich vlastnosti jsou závislé na podmínkách vzniku hornin a horninových těles a procesech jejich dalšího přetváření.

Skalní horniny představují horniny magmatické, metamorfované a sedimentární s pevnými krystalizačními nebo cementačními strukturními vazbami, jejichž pevnost v tlaku je větší než 50 MPa.

Poloskalní horniny mají méně pevné vazby v rozmezí od 1,5 do 50 MPa. Nejčastěji jsou reprezentovány navětralými skalními horninami nebo málo zpevněnými sedimenty.

Zeminy jsou rozvětrané anebo jinak rozložené pevné horniny anebo nezpevněné sedimenty s pevností pod 1,5 MPa tvořené jemnými částicemi či hrubými zrny a úlomky minerálů a hornin, spojenými slabými koagulačními vazbami, případně jen vazbami gravitačním.

Rozdělují se na:

·         zeminy nesoudržné (štěrky, písky) – vazby mezi zrny jsou dány především třením, které je ovlivněno rozměrem, tvarem, pevností a způsobem uložení zrn i přítomností vody.

·         zeminy soudržné (hlíny, jíly) - zdrojem pevnosti, jsou především molekulární a chemické vazby mezi částicemi zeminy a vodou.

Horniny jsou pojmenovávány, popisovány a zatříďovány podle charakteristik a vlastností, které ovlivňují chování hornin a horninových masívů. Údaje se získávají makroskopickým terénním hodnocením podle užívaných petrografických klasifikací a laboratorními zkouškami na odebraných vzorcích.

Skalní horniny (symbol R) se charakterizují:

·         názvem litologického typu,

·         mineralogicko-petrografickým popisem,

·         barvou (v pořadí: světlost - barevný odstín - základní barva),

·         strukturně-texturními znaky: velikost zrn, relativní zrnitost, tvar zrn, tmel,

·         stupněm zvětrání, alterace (tab.5.2.1),

·         pevností v prostém tlaku (s uvedením způsobu zjištění - zkouškou, odhadem - tab. 5.2.2).

Příklad popisu:

JÍLOVEC prachovitý, jemně slídnatý, tmavě hnědošedý s řídkými světlešedými paralelními laminami, střípkovitě rozpadavý, navětraný. Zatřídění R5 (odhadem).

Zeminy se charakterizuji:

·         zrnitostí (tab.5.2.3, tab.5.2.4, tab.5.2.5, obr.5.2.1, tab.5.2.6) na skupiny zemin:

o        balvanité s částicemi (B) > 200 mm

o        kamenité (CB) 200 až 60 mm

o        štěrkovité (G) 60 až 2 mm

o        písčité (S( 2 až 0.06 mm

o        jemnozrnné (F) 0.06 až 0.001 mm

Granulometrický rozbor se provádí sítovou zkouškou pro skupinu G a S a hustoměrnou zkouškou pro skupinu F. Údaje se vynáší do zrnitostního diagramu obr. 5.2.2. Pojmenování zemin podle zastoupení zrnitostních frakcí je uvedeno v klasifikačním diagramu obr. 5.2.3, obr. 5.2.4.

·         plasticitou (obr. 5.2.5, tab. 5.2.7) - jemnozrnné zeminy se dělí na hlíny a jíly

·         názvem

·         petrografickým složením

·         barvou

·         genezí (tab. 5.2.8)

·         strukturně-texturními znaky: tvar zrn, opracování atd.,

·         vlhkostí (tab.5.2.9), ulehlostí (tab.5.2.10), konzistencí (tab. 5.2.11) u nesoudržných zemin G,S

·         u soudržných zemin F

·         a dalšími významnými údaji, které mohou ovlivnit chování zemin, např. objemová nestálost u jemnozrnných zemin (bobtnání, smršťování), přítomnost různých příměsí - organické látky, uhličitany, konkrece apod.

Příklad popisu:

PÍSEK křemitý, glacilakustrinní, světle žlutý, jemnozrnný s příměsí opracovaných valounků jílovců do 6 mm (do 5%), vlhký, ulehlý. Zatřídění S1 SW.

5.3 Vlastnosti hornin

Vlastnosti hornin, určované laboratorními zkouškami na vzorcích, charakterizují horninový materiál extrahovaný z horninového masívu a tudíž jsou vždy do určité míry narušené manipulací se vzorkem.

Vedle toho, že zjištěné hodnoty vstupují do geotechnických výpočtů a modelů, jsou také podkladem pro rozhodování o celkové strategii průzkumu (výběr metod, metodické postupy, lokalizace polních zkoušek).

            Vlastnosti hornin, určované na vzorcích, charakterizují inženýrskogeologický typ hornin (tab. 5.3.1a, tab. 5.3.1b):

o                                popisnými - hlavní petrografické a geologické údaje

o                                fyzikálními - charakterizují současný stav hornin v masivu

o                                mechanickými - představují chování hornin při voleném namáhání

o                                technologickými - pro volbu vhodné technologie a využití hornin.

Pro posuzování IG poměrů zařazujeme horniny podle stanovených kritérií (viz ČSN 7310 01) do skupin (symboly např. S,G) a tříd (např. S1) (viz kap. Praktické cvičení)

Orientační hodnoty některých vlastností jsou uvedeny v následujících tabulkách: tab. 5.3.2 - měrné hmotnosti, tab. 5.3.3 – objemové hmotnosti, tab. 5.3.4 - pórovitosti, tab. 5.3.5 - konzistenčních mezí (video 5.1, video 5.1 – vyšší kvalita – stanovení wL vlhkosti na mezi tekutosti, tab. 5.3.6 - propustnosti, tab. 5.3.7 - pevnosti, tab. 5.3.8 - rozmezí hodnot pevnosti, tab. 5.3.9 - totální a efektivní smykové pevnosti (video 5.2, video 5.2 – vyšší kvalita – smyková krabicová zkouška), tab. 5.3.10 - úhlu vnitřního tření, tab. 5.3.11 - modulu přetvárnosti, tab. 5.3.12 – stlačitelnosti (video 5.4, video 5.4 – vyšší kvalita – Oedometrická zkouška), tab. 5.3.13 - nakypření.

Dále uvádíme požadavky pro některé technologické účely použití na: tab. 5.3.14 - přírodní kámen a kamenivo (vybrané příklady), tab. 5.3.15 - stavební kámen pro kamenické výrobky (podle ČSN 72 1800), tab. 5.3.16 - zatřídění zemin podle vhodnosti použití do železničního zemního tělesa.

Poznámky:

U nesoudržných zemin má největší vliv na jejich mechanické chování pórovitost, ulehlost, propustnost - způsobují objemové změny (kontraktanci, dilatanci), ztekucení, sufózi.

U soudržných zemin ovlivňuje jejich chování zejména vlhkost a typy jílových minerálů - změny konzistence, plasticity, objemu (bobtnání, smršťování). S rostoucím číslem plasticity Ip zvyšuje se pevnost při stejné konzistenci, snižuje se propustnost a stlačitelnost. U spraší je nebezpečí prosedavosti v důsledku makropórovité agregátové struktury.

U skalních hornin je rozhodující strukturní vazba, stupeň zvětrání a mechanická diskontinuálnost - ovlivnění pevnosti a přetvárnosti.

Pro poloskalní horniny, které snadno podléhají atmosférickým vlivům, je nutné, zejména při použití do násypů, stanovit koeficient rozpadavosti Kz a koeficient rozmokavosti Kr.

Významný vliv na chování hornin mohou mít některé příměsy:

o                                organické látky - snižují propustnost, zvyšují stlačitelnost a podílí se na agresivitě vod a půd – tab. 5.3.17a, tab. 5.3.17b,

o                                uhličitany - snižují plasticitu, zvyšují propustnost, rozbřídavost, smrštitelnost (hluboké trhliny v suchých vápnitých jílech) - tab. 5.3.18,

o                                sirníky - oxidací na sírany se zvyšuje agresivita vod, snižuje se pevnost (projev zvětrávání),

o                                soli Cl, SO4 - zasolené půdy (tab. 5.3.19) - nakypření, namrzavost, agresivita.

Prosedavost = náhlé zmenšení objemu spraší v důsledku kolapsu struktury vlivem proudící vody, vibrací nebo nadměrným zatížením.

Typ a vlastnosti hornin tvoří základní kritéria řady účelových (typologických) klasifikací: tab. 5.3.20a – zatřídění hornin podle rozpojitelnosti hornin vrtáním, tab. 5.3.20b - zatřídění hornin podle abrazivity vrtného nástroje, tab. 5.3.20c - zatřídění hornin podle tvrdosti (podle Protodjakonova), tab. 5.3.20d - třídy těžitelnosti podle ČSN 73 3050, obr. 5.3.1a - posouzení propustnosti zemin podle zrnitosti (video 5.3, video 5.3 – vyšší kvalita – Prosévací zkouška, video 5.4, video 5.4 –vyšší kvalita – Hustoměrná zkouška), obr. 5.3.1b - orientační posouzení namrzavosti, obr.5.3.1c - odečtení koeficientu filtrace k (m/s) z průběhu křivek zrnitosti, obr. 5.3.1d - posouzení vhodnosti zemin pro zemní hráze (ČSN 73 6824), obr. 5.3.1e - použití metod zlepšování vlastností zemin v závislosti na zrnitosti, obr. 5.3.1f - návrh injekční směsi v závislosti na zrnitosti zemin, tab. 5.3.20e - vhodnost hornin pro násypy (podle ČSN 72 1002), tab. 5.3.20f - základní požadavky na stavební kámen a kamenické výrobky.